孟 凱

(黑龍江大學(xué) 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)院,哈爾濱 150080)

0 引 言

土壤侵蝕是廣泛存在于地球表面。在地質(zhì)歷史時期所發(fā)生的侵蝕為自然侵蝕,它完全決定于當(dāng)時的地質(zhì)、地貌、氣候、土壤、植被等自然因子的綜合影響。自人類社會出現(xiàn)后,人類活動對生態(tài)平衡的破壞而加速了土壤侵蝕過程,土壤侵蝕則在自然侵蝕的基礎(chǔ)上,疊加了人為活動的影響,出現(xiàn)了加速侵蝕,并產(chǎn)生了嚴(yán)重后果。在自然狀況下,土壤層是絕對不可能永遠(yuǎn)保留它的初始狀態(tài)的。它要經(jīng)受風(fēng)蝕、水蝕,還要不斷地被人類的耕作措施所疏松,同時又在風(fēng)和水的攜帶下離開原來的位置,參與整個地質(zhì)循環(huán)過程。土壤這種被輸運的速率,取決于諸多因子,而最主要的莫過于土壤自身的物理化學(xué)性質(zhì)、地形特點、氣候條件(尤其是水和風(fēng)的條件)、地表覆蓋狀況以及人類的生產(chǎn)活動。一般來說,在坡面土壤侵蝕過程中,侵蝕作用和堆積作用是同一過程產(chǎn)生的兩種結(jié)果,尤其是坡面流水的面狀侵蝕,會在坡底的緩坡地帶沉積形成坡積物。因此,在某些黑土-古土壤序列中,常會有面狀水流沉積成分,記錄著坡面侵蝕的變化過程。本文通過對海倫前進(jìn)小流域坡積發(fā)育歷史、地層序列的有機(jī)碳、腐殖質(zhì)組分變化的研究,分析海倫前進(jìn)小流域的土壤侵蝕發(fā)生規(guī)律。

圖1 黑土坡積過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of blacksoil sedimentaryprocess

1 黑土侵蝕形成因素

從自然因素看,降水因子對水土流失影響最大。降雨集中,雨量大,降雨強(qiáng)度大,超過土壤的滲蓄水能力,就容易產(chǎn)生地表徑流。根據(jù)降雨和徑流小區(qū)產(chǎn)流的觀測資料:

1)當(dāng)1 h的降雨量達(dá)到10 mm,或24 h降雨量達(dá)到30 mm時,就能產(chǎn)生徑流和沖刷。這樣的雨強(qiáng)在黑土區(qū)每年都要出現(xiàn)十幾次,勢必造成對土壤的沖刷和破壞。

2)地形因子,地面坡度越大,徑流的沖刷能力越強(qiáng)。當(dāng)坡度相同時,坡面越長,匯集的流量越大,徑流的速度也越大。

3)土壤、地質(zhì)因子。土壤的透水性、抗蝕性、抗沖性越強(qiáng),水土流失越輕,反之,就重。黑土表層疏松,抗蝕抗沖能力很低,底土黏重,透水能力較差,因此黑土容易遭受水力侵蝕。

4)植被因子。良好的植被,截流降雨,分散徑流,固持土壤,減輕水土流失。而植被一旦被破壞,就容易發(fā)生水土流失。黑土為墾殖率較高的土壤,就連坡度較大的地方也開墾為農(nóng)田,再加上林地的過度砍伐,自然植被遭到了顯著的破壞。

5)凍融作用也是影響水土流失的一個因子。該地區(qū)土壤凍結(jié)時間150～180 d,凍融交替,使土體變得疏松,抗蝕抗沖能力很低,春季融雪沿坡地很容易形成地表徑流。另外,冬季形成很多地裂縫,凍融后地裂縫處土體更為疏松,在降雨徑流沖刷作用下,很容易發(fā)展成侵蝕溝。侵蝕黑土由于坡長和匯水面積大,再加上有自然水線,開墾為耕地或毀林后,極易引起土壤侵蝕。侵蝕的形式主要是面蝕和溝蝕兩種,根據(jù)多處坡度較大的片蝕區(qū)調(diào)查,平均侵蝕表土的厚度約為0.8 cm/a,以至在黑土區(qū)的耕地出現(xiàn)大片的破皮黃和云彩地,因此面蝕是黑土肥力減退的主要原因。黑土區(qū)的溝蝕也很普遍,主要是由于集中降雨,雨水順地形集中于谷間沖刷所至,沖刷溝切割地形,造成地形支離破碎,破壞農(nóng)田和道路。

2 研究區(qū)域概況與方法

2.1 研究區(qū)域概況及試驗設(shè)計

前進(jìn)鄉(xiāng)位于海倫市西部,鄉(xiāng)政府所在地距海倫城12 km。東起海倫城郊,與樂業(yè)鄉(xiāng)為鄰,西與共合鎮(zhèn)、永和鄉(xiāng)相靠,南臨海倫河,與祥富鎮(zhèn)隔河相望,北與向榮鄉(xiāng)接壤。全鄉(xiāng)共有15個行政村,82個自然屯,110個村民組,總?cè)丝?36 000人、7 200戶,土地面積177 km2。前進(jìn)小流域地處我國水力侵蝕六大類型區(qū)之一的東北黑土侵蝕區(qū),行政區(qū)劃包括前進(jìn)鄉(xiāng)的光榮、新政、新生3個村,水土流失面積3 733 hm2,共有17個大溝,120多條侵蝕溝,水土流失十分嚴(yán)重。前進(jìn)小流域系第四紀(jì)冰川湖積作用和現(xiàn)代河流剝蝕堆積作用所形成,為崗丘狀地貌,由16個丘嶺崗地端頭構(gòu)成。植被區(qū)系屬長白植物區(qū)系好蒙古植物區(qū)系的過渡地帶,原始植物群落崗地為落葉闊葉雜木林和榛柴艾塘草甸,溝谷灘地為草甸-沼澤。該流域位于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候帶,冬季寒冷干燥,夏季高溫多雨,全年平均降水量為500 mm,80%的降水量集中在7～9月,且多暴雨?？偼恋孛娣e3 733 hm2,其中耕地2 826.7 hm2,占75.72%,草地190 hm2,占6.09%,薪炭林 213.3 hm2,占 5.71%,水面33.3 hm2,占 0.89%,荒山荒坡 400 hm2,占10.72%,其它林木20.2 hm2,占0.54%,120多條侵蝕溝,水土流失十分嚴(yán)重,土壤侵蝕模數(shù)為5 000 t/km2?a。很多崗地黑土層已經(jīng)由 100 cm左右厚剝蝕剩20～30 cm,個別地方變成了破皮黃,土地生產(chǎn)水平很低,糧豆單產(chǎn)不足1 500 kg/hm2,人均收入少,是全市比較貧困地方。

剖面1位于海倫市前進(jìn)鄉(xiāng)同心村海望公路東側(cè)坡下;剖面2位于海倫市前進(jìn)鄉(xiāng)光榮村海望公路西側(cè)坡中,剖面3位于海倫市前進(jìn)鄉(xiāng)光榮村西毛屯東側(cè)坡中偏上。

2.2 實驗方法

2.2.1 土壤樣品的采集與處理

采集土壤剖面樣品的目的在于分析土壤不同層次有機(jī)質(zhì)含量及腐殖質(zhì)組成含量的層際變化特征,最終希望能夠為評價當(dāng)?shù)赝寥狼治g狀況提供參考。根據(jù)前進(jìn)小流域坡積黑土的空間分布規(guī)律,選取具有代表性的地塊進(jìn)行采樣,統(tǒng)一采樣時間,選取有代表性的若干處自然剖面,然后根據(jù)土壤剖面的顏色、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、松緊度、濕度、根系分布等,自上而下劃分土層仔細(xì)觀察,描述記載,將剖面形態(tài)特征逐一記入剖面記載簿。觀察記載后,就自下而上逐層采集分析樣品。在采樣時,用GPS定位記錄樣點的海拔、經(jīng)緯度,同時記錄樣點的本底資料。將土樣裝入布袋,各采樣點采集土樣1 kg左右,并在土袋的內(nèi)外附上標(biāo)簽,寫明采集地點,剖面號數(shù),土層深度,采集日期和采集人等。

將土壤樣品壓碎成塊平鋪在干凈的紙上,攤成薄層放置于室內(nèi)陰涼通風(fēng)處風(fēng)干,風(fēng)干后的土樣再進(jìn)行磨細(xì)過篩處理。

2.2.2 測定項目及方法

土壤有機(jī)質(zhì)的測定方法為:重鉻酸鉀容量法——外加熱法。

土壤腐殖質(zhì)組分的測定方法為:0.1 mol/L焦磷酸鈉與0.1 mol/L氫氧化鈉混合溶液浸提——重鉻酸鉀容量法——外加熱法。

全磷的測定采用HClO4—H2SO4消煮鉬銻抗比色法。

3 結(jié)果分析

3.1 土壤有機(jī)質(zhì)變化特征

黑土有機(jī)質(zhì)主要分布在土壤表層,自然土壤有機(jī)質(zhì)含量由表層向下驟然減少,根據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化判斷黑土坡積過程。

由圖2可見,剖面1土壤有機(jī)質(zhì)含量最高值出現(xiàn)在85～120 cm處,相對低值在27～85 cm處,剖面1處在漫崗的下部,自然土壤有機(jī)質(zhì)含量大致在50 g/kg,在85 cm以上有明顯的坡積后的沉積過程。剖面2土壤有機(jī)質(zhì)含量最高值出現(xiàn)在27～85 cm處,其他3個層次有機(jī)質(zhì)含量均在36～38 g/kg,剖面2處在漫崗中部,坡積層次與剖面1比較稍高些。剖面3土壤有機(jī)質(zhì)含量最高值出現(xiàn)在0～27 cm處,其次是85～120 cm處,2個層次有機(jī)質(zhì)含量相差2.2 g/kg,剖面3處在漫崗中部偏上的地形部位,在土壤侵蝕過程中第1次的坡積沉積過程發(fā)生在85～120 cm處,現(xiàn)代侵蝕發(fā)生在土壤表層。

圖2 不同土層有機(jī)質(zhì)變化Fig.2 Changes of SOM in different soil horizon

3.2 土壤腐殖質(zhì)組成變化

土壤腐殖質(zhì)組成主要由胡敏酸、富里酸和胡敏素構(gòu)成,腐殖質(zhì)的品質(zhì)在很大程度上取決于它的最活躍部分——胡敏酸的含量。腐殖質(zhì)具有較強(qiáng)的絡(luò)合作用,能與鐵、鋁、銅、鋅等高價金屬離子形成絡(luò)合物,增強(qiáng)腐殖質(zhì)的穩(wěn)定性,增強(qiáng)抵抗微生物分解的能力,使腐殖質(zhì)分解周轉(zhuǎn)時間增長,胡敏酸的平均停留期為 780～3 000 a,富里酸為 200～630 a。活性腐殖質(zhì)和新形成的腐殖質(zhì),分解釋放養(yǎng)分能力較強(qiáng)。胡敏酸和富里酸的主要區(qū)別是后者的移動性強(qiáng)、酸度高,有大量的含氧功能團(tuán)。此外,富里酸有較大的陽離子交換容量。在相同條件下,富里酸和胡敏酸的陽離子交換容量分別為200～670和180～500 mequiv/100 g。因此,富里酸對重金屬等陽離子有很高的螯合和吸附能力,其螯合物一般是水溶性的。富里酸吸附重金屬離子以后呈溶膠狀態(tài),易隨土壤溶液運動,可被植物吸收,也可流出土體,進(jìn)入其他環(huán)境介質(zhì)中。胡敏酸除與一價金屬離子 (如K+、Na+)形成易溶物外,與其他金屬離子均形成難溶的絮凝態(tài)物質(zhì),使土壤保持有機(jī)碳和營養(yǎng)元素,同時也吸持了有毒的重金屬離子,緩解其對植物的毒害。由此可見,胡敏酸含量高的腐殖質(zhì)可大大提高土壤對重金屬的容納量。在研究土壤環(huán)境容量時,應(yīng)考慮腐殖質(zhì)中胡敏酸和富里酸 (H/F)的相對比例。胡敏酸對土壤結(jié)構(gòu)的形成起著重要作用。

由圖3可見,剖面1土壤胡敏酸含量最高值出現(xiàn)在85～120 cm處,相對低值在27～85 cm處和下層,剖面1處在漫崗的下部,自然土壤胡敏酸含量在10 g/kg左右,在85 cm以上有明顯的坡積后的沉積過程。剖面2土壤胡敏酸含量最高值出現(xiàn)在27～85 cm處,其他3個層次胡敏酸含量均在9.6～11.7 g/kg,剖面2處在漫崗中部,坡積層次與剖面1比較稍高些。剖面3土壤胡敏酸含量最高值出現(xiàn)在120 cm以下處,其次是0～27 cm處,2個層次胡敏酸含量相差2.35 g/kg,剖面3處在漫崗中部偏上的地形部位,在土壤侵蝕過程中第1次的坡積沉積過程發(fā)生在85～120 cm處,現(xiàn)代侵蝕發(fā)生在土壤表層。

圖3 不同土層胡敏酸變化Fig.3 Changes of humilic acid in different soil horizon

由圖4可見,剖面1土壤富里酸含量最高值出現(xiàn)在85～120 cm處,相對低值在27～85 cm處和下層。剖面2土壤富里酸含量最高值出現(xiàn)在120～ 150 cm處,最低值在27～85 cm。剖面3土壤富里酸含量最高值出現(xiàn)在27～85 cm處,其次是85～120 cm處。富里酸總碳量在剖面含量其變化規(guī)律與該剖面總有機(jī)碳、腐殖質(zhì)含量變化規(guī)律一致。

圖4 不同土層富里酸變化Fig.4 Changes of Fulvic acid in different soil horizon

3.3 土壤全磷變化

磷素含量既受地形、黑土層厚度等內(nèi)因的影響,也受種植作物、施肥、氣候等外因的影響。全磷含量空間異質(zhì)性相對較大,自然界中的土壤全磷含量決定于母質(zhì)類型、風(fēng)化程度和土壤中磷的淋失情況,在耕地土壤中,全磷含量還受耕作和施肥的影響。土壤中磷的遷移能力較低,在土壤剖面中土壤全磷含量自上向下逐漸降低。土壤固定磷的機(jī)理主要有兩個作用:①磷化合物的沉淀作用(其中的磷和其他陽離子結(jié)合形成沉淀);②磷的吸附作用(液相中的磷離子轉(zhuǎn)入固相的過程)。這兩種作用都使土壤溶液中的磷濃度降低,從而降低磷的有效性。一般來說,在磷濃度較高、土壤中有大量可溶態(tài)陽離子存在和土壤pH值較高時,沉淀作用是主要的。相反條件下,吸附是主要的。區(qū)別是在吸附作用中,吸附量決定于液相磷的濃度,而在沉淀作用中則是最小溶解度的磷素沉淀決定液相磷的濃度。土壤磷素與土壤介質(zhì)的相互作用可以概括為:土壤溶液中磷與活性磷之間的相互轉(zhuǎn)化,土壤活性磷同時與非活性磷之間發(fā)生轉(zhuǎn)化。這是一個動態(tài)的過程,不停地發(fā)生在磷素的遷移轉(zhuǎn)化過程中,而在這個過程中磷素就有可能通過不同的途徑發(fā)生流失。地表徑流主要通過雨蝕動能剝離土壤表層,首先作用于粒徑較小的土壤顆粒,如土壤黏粒、土壤膠體等,由于這些小顆粒的比表面比較大吸附能力很強(qiáng),使得地表徑流中固體物質(zhì)的磷素水平明顯高于徑流發(fā)生的土壤具有養(yǎng)分富集的特征。通過對土壤剖面不同層次全磷變化特征分析,判斷土壤坡積過程。

由圖5可見,土壤剖面1全磷含量最高在120～150 cm處,土壤全磷含量最低出現(xiàn)27～85 cm處,土壤中,從表層土到此土層是外來土堆積產(chǎn)生的,而在堆積土中,隨著土壤深度的增加,全磷含量基本呈現(xiàn)逐漸增加狀態(tài)。剖面2、3各層次土壤全磷含量呈小幅波動,土壤全磷含量最高處都在下層。

圖5 不同土層全磷變化Fig.5 Changes of TP in different soil horizon

4 結(jié) 語

根據(jù)黑土剖面層次變化,分析了土壤有機(jī)質(zhì)、胡敏酸、富里酸和土壤全磷含量變化特征,無侵蝕黑土剖面土壤有機(jī)質(zhì)和全磷含量分布特征是由上層向下驟然減少。結(jié)果表明:

1)剖面1土壤有機(jī)質(zhì)含量最高值出現(xiàn)在85～120 cm處,相對低值在27～85 cm處,剖面1處在漫崗的下部,在85 cm以上有明顯的坡積后的沉積過程。剖面2土壤有機(jī)質(zhì)含量最高值出現(xiàn)在27～85 cm處,剖面2處在漫崗中部,坡積層次出現(xiàn)在27cm以上。剖面3土壤有機(jī)質(zhì)含量最高值出現(xiàn)在0～27 cm處,其次是85～120 cm處,剖面3處在漫崗中部偏上的地形部位,在土壤侵蝕過程中第1次的坡積沉積過程發(fā)生在85～120 cm處,現(xiàn)代侵蝕發(fā)生在土壤表層。

2)剖面1土壤胡敏酸含量最高值出現(xiàn)在85～120 cm處,相對低值在27～85 cm處和下層。剖面2土壤胡敏酸含量最高值出現(xiàn)在27～85 cm處,其他3個層次胡敏酸含量為9.6～11.7 g/kg。剖面3土壤胡敏酸含量最高值出現(xiàn)在120 cm以下處,其次是0～27 cm處,2個層次胡敏酸含量相差2.35 g/kg。

3)土壤全磷含量最高值都在在下層,土壤剖面1全磷含量最高在120～150 cm處,土壤全磷含量最低出現(xiàn)27～85 cm處,土壤中,從表層土到此土層是外來土堆積產(chǎn)生的,而在堆積土中,隨著土壤深度的增加,全磷含量基本呈現(xiàn)逐漸增加狀態(tài),剖面2、3各層次土壤全磷含量呈小幅波動。

4)根據(jù)黑土剖面不同層次土壤有機(jī)質(zhì)、胡敏酸和全磷分析,3個土壤剖面呈現(xiàn)不同的侵蝕沉積,由于所處地形部位的差異,坡積后沉積層次表現(xiàn)出差異。利用土壤有機(jī)質(zhì)、胡敏酸和全磷含量在土壤剖面變化特征判斷土壤侵蝕過程的方法可行。

[1]隋躍宇,孟 凱,張興義.黑土坡耕地治理研究 [J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究,2002,18(4):298-299, 303.

[2]孟 凱.黑土生態(tài)系統(tǒng)脆弱性成因與修復(fù)[J].國土與自然資源研究,2005,(2):66-67.

[3]方華軍,楊學(xué)明,張曉平,等.137Cs示蹤技術(shù)研究坡耕地黑土侵蝕和沉積特征[J].生態(tài)學(xué)報,2005,25 (6):1 376-1 382.

[4]崔 明,張旭東,蔡強(qiáng)國,等.東北典型黑土區(qū)氣候、地貌演化與黑土發(fā)育關(guān)系[J].地理研究,2008,27 (3):527-530.

[5]查小春,黃春長,龐獎勵.關(guān)中東部緩坡地面全新世土壤侵蝕與沉積發(fā)展演變規(guī)律研究 [J].生態(tài)環(huán)境, 2005,14(1):52-56.